CN201311114Y

CN201311114Y - 太阳能实时自动跟踪装置

Info

Publication number: CN201311114Y
Application number: CNU2008201865704U
Authority: CN
Inventors: 谢彪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2018-10-27

Abstract

本实用新型涉及太阳能的利用，尤其是指一种太阳能实时自动跟踪装置。按照本实用新型提供的技术方案，光信号检测电路的前端为一固定在太阳能利用装置上能感应光线强度的拾光头；光信号检测电路的输出端连接用于判别光线强弱方向的方向识别电路；在方向识别电路的输出端连接有能使太阳能利用装置转向的驱动电路；在驱动电路的输入端同时还连接有用于使太阳能利用装置复位的复位电路。本实用新型可以提高太阳能利用装置的采光效率。

Description

太阳能实时自动跟踪装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能的利用，尤其是指一种太阳能实时自动跟踪装置。

背景技术

为了使现有的太阳能利用装置，能接收到较多的太阳光的能量，可为其增加自动跟踪装置及驱动机构。其中自动跟踪装置会根据太阳所处的具体位置，输出相应的控制信号，控制驱动机构动作，调整太阳能利用装置的朝向，使其能实时跟踪太阳位置的变化，从而接收更多的太阳能量。

现有的太阳能跟踪系统主要采用的是时钟式控制原理，利用机械贮能或步进电机进行驱动，通过较为复杂的机械结构，使太阳能接收器对准太阳并以一固定的速率进行动作，从而达到跟随太阳转动的目的。也有的资料中介绍过利用比较器对光线的强弱进行比较从而得到控制信号的方法，但这些电路中均没有考虑系统的惯性影响，造成的结果就是系统会在临界位置出现控制信号的反复翻转，出现“抖动”的现象。据我们的了解，真正意义上的采用全电子电路进行实时跟踪控制的产品目前市面上还没有现实意义上的产品出现。

由于目前的装置大多采用机械的时间控制方式，所以均没有实时跟踪的功能，不能根据阳光的变化及时调整控制方向，特别是当季节转换，日照时间长度发生变化后，也不能自动调整，实时性能较差；现有的产品中由于没有容差的电路功能，使系统极易在临界位置出现抖动，从而影响到整个系统的稳定性；现有的产品结构均比较复杂，所使用的电源均为市电，接线复杂，且存在着一定的安全隐患；现有产品很多没有复位功能，或采用360度转动的方式进行复位，这样即使在无光照的夜晚也会转动，这种方式会白白浪费能源；而且目前的装置结构复杂，造价较高，不利于大规模的推广应用。

发明内容

本实用新型的目的在于设计一种太阳能实时自动跟踪装置，以提高太阳能利用装置的采光效率。

按照本实用新型提供的技术方案，光信号检测电路的前端为一固定在太阳能利用装置上能感应光线强度的拾光头；光信号检测电路的输出端连接用于判别光线强弱方向的方向识别电路；在方向识别电路的输出端连接有能使太阳能利用装置转向的驱动电路；在驱动电路的输入端同时还连接有用于使太阳能利用装置复位的复位电路。

在所述拾光头内设置有隔板，第一光敏元件与第二光敏元件对称地安装在隔板的两侧，用于感应隔板两侧光线的强度；光信号检测电路的输入端与上述两个光敏器件连接，以检测隔板两侧的光线强度。在驱动电路的输入端连接有手动控制电路。

在所述光信号检测电路中，在相互串联连接的第一光敏元件与第二光敏元件的线路上分别串联一个限流电阻，并在拾光头两侧的线路中分别并联两个分压电阻R3、R4，所述分压电阻R3、R4在无光时为方向识别电路提供信号电压。

在所述方向识别电路中，在第一运算放大器的同相端与第二运算放大器的反相端之间正向串联连接用于提供容差电压的二极管D1。

在所述复位电路中，在第三运算放大器的反相端连接第三光敏器件，在第三运算放大器的同相端连接提供参考电平的稳压管D7，在第三运算放大器的输出端与晶闸管SCR的控制极连接，在晶闸管SCR的阳极串联连接常闭的干簧管S3。

本产品是一种专门用于太阳能利用设备上的太阳能跟踪装置，可用于太阳光的实时跟踪。本装置具有全天候自动跟踪特点，也可以由手动操作进行控制，整个装置包括接收并感应太阳光强弱的光信号检测电路；对太阳位置进行判别并输出相应控制信号的方向识别电路；手动控制电路；复位电路。本装置可适用于各种中、小功率太阳能发电系统、太阳灶和太阳能热水器等太阳能利用装置的阳光跟踪，与现有技术相比具有电路简单可靠、动作迅速，造价低廉的特点，而且整个跟踪系统无需外接电源，是一种理想的太阳能实时跟踪装置。

可直接利用太阳能电池板提供电源，并采用大电容进行贮能，无需外接市电；利用光敏器件组成采光头，灵敏度高；方向识别电路采用了实时阳光采样，通过对两侧太阳光的强度进行比较得到校准的控制信号来控制动作机构动作，比较装置设置了一定的容差功能，有容留的区间，从而消除了临界位置的抖动现象，实现了装置的自动跟踪功能；驱动电路简单可靠，可直接运用直流电机进行驱动，结构简单，成本低廉；有复位电路，可自动识别阳光的强弱，并视其强度自行调整复位。

本实用新型相对现有技术的特点如下：

1.方向识别电路，增加了容差的功能，留有一定的工作区间，充分考虑了直流电机动作的惯性，从而有效地消除了临界位置的抖动。通常所使用的电路中均无此功能。

2.驱动电路可直接采用直流电机进行控制，成本较低，工作可靠等特点。通常的电路往往会使用步进电机或伺服电机，但这些电机功率小且价格昂贵。

3.复位电路，可自动识别天气，并视天气状况自行调整动作，因为我国所处的位置，太阳每天总是从东方升起，到西方落下，故本装置设定了初始位置为正南。每天太阳升起时，装置会判别光线的强弱，自动使太阳能利用装置转向东方；然后，装置会实时跟踪太阳位置的变化渐渐转向西方；当光线强度低于一定值时，会自行启动复位电路，调整到初始状态；当光线强度达到一定值后会重新自行调整到最佳位置。有了复位电路可以避免因为太阳能板朝向西方，早晨接收不到光照的现象，同时在系统出现故障的情况下，面向正南可以使太阳能利用装置接受光照的时间最长。

4.增加了手动控制电路，在出现控制部分失灵的情况下可由手动进行控制。

附图说明

图1是本实用新型的电路框图。

图2是拾光头的断面图。

图3是光线正对着拾光头时的受光状态图。

图4是光线偏向拾光头中的第二光敏元件时的受光状态图。

图5是光线偏向拾光头中的第一光敏元件时的受光状态图。

图6是本实用新型的线路原理图。

具体实施方式

如图所示：光信号检测电路的前端为一固定在太阳能利用装置上能感应光线强度的拾光头2；光信号检测电路的输出端连接用于判别光线强弱方向的方向识别电路；在方向识别电路的输出端连接有能使太阳能利用装置转向的驱动电路；在驱动电路的输入端同时还连接有用于使太阳能利用装置复位的复位电路。

在所述拾光头2内设置有隔板1，第一光敏元件RL1与第二光敏元件RL2对称地安装在隔板1的两侧，用于感应隔板1两侧光线的强度；光信号检测电路的输入端与上述两个光敏器件连接，以检测隔板1两侧的光线强度。

在驱动电路的输入端连接有手动控制电路。

在所述光信号检测电路中，在相互串联连接的第一光敏元件RL1与第二光敏元件RL2的线路上分别串联一个限流电阻，并在拾光头2两侧的线路中分别并联两个分压电阻R3、R4，所述分压电阻R3、R4在无光时为方向识别电路提供信号电压。

在所述方向识别电路中，在第一运算放大器ICA的同相端与第二运算放大器ICB的反相端之间正向串联连接用于提供容差电压的二极管D1。

在所述复位电路中，在第三运算放大器ICC的反相端连接第三光敏器件RL3，在第三运算放大器ICC的同相端连接提供参考电平的稳压管D7，在第三运算放大器ICC的输出端与晶闸管SCR的控制极连接，在晶闸管SCR的阳极串联连接常闭的干簧管S3。所述运算放大器都是型号为LM324的集成电路。

下面对各电路的工作原理进行描述：

一、光信号检测检工作原理：

光信号检测主要由第一光敏元件RL1与第二光敏元件RL2及电阻R1、R2、R3和R4组成，其中光敏元件的安装如图1所示，光敏元件对称地安装在圆筒中间隔板的两侧，当光线直射入圆筒时(如图2所示)，第一光敏元件RL1与第二光敏元件RL2两元件接收光照的强度是均等的，故两者的阻值相等，此时A点输出的电压为电源电压的一半，即为

；若光线偏向第二光敏元件RL2端射入时(如图3)，因第二光敏元件RL2端接受光照较强，而光敏元件RL1端由于隔板的遮挡而受光较少，故光敏元件RL2的阻值小于第一光敏元件RL1的阻值，此时A点输出的电压小于

；当光线偏向第一光敏元件RL1端射入时(如图4)，第一光敏元件RL1端接受光照较强，而第二光敏元件RL2端由于隔板的遮挡而受光较少，故第二光敏元件RL2的阻值大于第一光敏元件RL1的阻值，此时A点输出的电压大于

。电路中电阻R3、R4的阻值取值相等，当无光照时由于第一光敏元件RL1与第二光敏元件RL2的暗电阻很大，相当于断路，为确保电路可靠动作，则经电阻R3、R4分压后，由A点输出

信号电压。

二、方向识别工作原理

本装置的方向识别电路由第一运算放大器ICA(型号LM324)、第二运算放大器ICB(型号LM324)、二极管D1、电阻R5及R6组成。其中电阻R5、二极管D1、电阻R6通过分压为第一运算放大器ICA与第二运算放大器ICB提供基准电压，由于电路中串入了二极管D1，就使第一运算放大器ICA与第二运算放大器ICB的基准电压相差了一个PN结的压降约0.5伏左右。通过调节电阻R5可以使第一运算放大器ICA“+”端的基准电压为，第二运算放大器ICB“-”端的基准电压为

，因此只有当A点输出的信号电压大于

或小于

时，第一运算放大器ICA或第二运算放大器ICB才会输出高电平，否则二个比较器均输出为低，而在此中间的0.5V的压降则为驱动部分的惯性提供了充足的容差区间。当无光照或光线直射入时，A点输出的信号电压为

，则此时的第一运算放大器ICA与第二运算放大器ICB均输出为低电平；当光线偏向第一光敏元件LR1端射入时，由于第一光敏元件LR1的阻值变小，第二光敏元件LR2的阻值变大，A点输出电压升高，超过了第一运算放大器ICA的参考电压值，从而使第一运算放大器ICA输出为高电平，第二运算放大器ICB输出仍为低电平；当光线偏向第二光敏元件RL2端射入时，由于第二光敏元件LR2的阻值变小，第一光敏元件LR1的阻值变大，A点输出电压降低，低于第一运算放大器ICA的参考电压值，从而使第一运算放大器ICA输出为低电平，第二运算放大器ICB输出为高电平。

本电路中，由于串入了一只二极管D1，使二组比较器的基准电压产生了零点几伏的压差，而正是由于这个差值的存在，本装置可以容许动作机构有一定的惯性，避免了控制信号在临界位置的频繁翻转，从而消除了抖动的现象，当然这个容差值的大小可以视电路的情况进行相应的调节。例如：光信号检测检到光线第二光敏元件RL2方向强于第一光敏元件RL1方向，方向识别电路就会发出控制信号，使驱动系统动作，向第一光敏元件RL1方向转动，在此过程中随着光照的渐趋平衡，A点输出的电压值也会逐渐升高，当达到

时，方向识别电路就会动作，切断驱动电机的电路，而此时在惯性的作用下，驱动装置还会继续动作一个很小的角度，刚好可以在容差的范围之内(可以从

至，约0.5V左右的范围)，正因为有了这零点几伏的容差的存在，可以消除在临界位置的抖动现象，从而使整个装置工作更加稳定可靠。

三、驱动电路工作原理

驱动电路由二极管D2、D3、D4、D5，发光二极管LED1、LED2，电阻R7、R8、R9、R10，三极管Q1、Q2及继电器KM1、KM2共同构成。当光线直射入圆筒时，由于第一光敏元件RL1与第二光敏元件RL2受光均等，A点输出的信号电压为

，故第一运算放大器ICA与第二运算放大器ICB同时输出低电平，三极管Q1、Q2均截止，继电器KM1、KM2均不动作，驱动电机二端均为低电平，电机不动作；当光线偏向第一光敏元件RL1端射入时，A点输出电压升高，当值大于

时，第一运算放大器ICA输出高电平，第二运算放大器ICB输出低电平，三极管Q1导通，三极管Q2截止，继电器KM1得电吸合，电机为左正右负，向单方向动作，当然此时可通过调整电机连线的方式确保转盘向第一光敏元件RL1端的方向运动；当光线偏向第二光敏元件RL2端射入时，A点输出电压降低，当低于参考电压值

时，第一运算放大器ICA输出为低电平，第二运算放大器ICB输出高电平，三极管Q1截止，三极管Q2导通，继电器KM2得电吸合，电机为左负右正，向相反方向动作，即向RL2端的方向运动。当转盘转到光线直射入的位置时，第一运算放大器ICA与第二运算放大器ICB同时输出低电平，三极管Q1、Q2均截止，继电器KM1、KM2均释放，电机停止动作。由于有二极管D1的存在，使第一运算放大器ICA与第二运算放大器ICB的基准电压相差了0.5伏，此时即使电机有转动的惯性，由于有容留的零点几伏的工作区间存在，电路也不会反向接通，从而避免了抖动现象的出现。

电路中二极管D2、D3是作用是防止手动按钮按下时的高电平会影响第一运算放大器ICA和第二运算放大器ICB输出的低电平信号；发光二极管LED1、电阻R8及发光二极管LED2、电阻R9是用于驱动方向的指示；继电器KM1、KM2由三极管Q1、Q2驱动，D4、D5为继流二极管，继电器KM1、KM2的单刀双掷开关触点则用于控制电机的正反转。

四、复位电路工作原理

复位电路由第三运算放大器ICC、第三光敏元件RL3，电阻R11、R12，二极管D6、稳压管D7、干簧管S3及晶闸管SCR共同组成。由于我国所处的位置，太阳每天总是从东方升起，到西方落下，故本装置设定了初始位置为正南。当时间接近傍晚或由于天气原因，光线强度低于一定值后，本装置会自行调整到初始状态下，当光线强度达到一定值后会重新自行调整到最佳位置。

当光线强度变弱后，第三光敏元件RL3由于受到的光照减少，阻值变大，B点的电位将降低，当低于稳压管D7的设定值后，第三运算放大器ICC会输出一个高电平，触发晶闸管SCR导通，继电器KM2吸合，接通电机反转；在正南端放置一组磁铁而在转盘上放置一只干簧管S3，当转盘转向正南时，磁铁将使干簧管S3吸合，干簧管S3的常闭触点断开，电路被切断，电机停止运转，这样就实现了自动复位的功能。

当新的一天太阳升起或阴天转晴后，第三光敏元件RL3接受到足够的光照，电阻减小，B点的电位升高，第三运算放大器ICC则会输出为低电平，复位信号失效，同时方向识别电路会使自动识别光线的方向，实现自动转向，跟踪并转向阳光较强的方向。当转盘转离正南位置后，干簧管S3恢复接通。

五、手动控制工作原理

为了防止系统出现意外，本装置还设计了手动控制部分，当按下按钮开关S1时会接通三极管Q1，电机会向单方向转动；当按下按钮开关S2时会接通三极管Q2，电机会向另一方向转动，从而实现了手动的控制。

在本装置的设计中，充分考虑了系统的安全性能，即使出现了某些故障，出现继电器KM1、KM2同时接通的情况，电机二端的电位会同时为高或为低，这样也不会烧坏电机。

Claims

1、太阳能实时自动跟踪装置，其特征是：光信号检测电路的前端为一固定在太阳能利用装置上能感应光线强度的拾光头(2)；光信号检测电路的输出端连接用于判别光线强弱方向的方向识别电路；在方向识别电路的输出端连接有能使太阳能利用装置转向的驱动电路；在驱动电路的输入端同时还连接有用于使太阳能利用装置复位的复位电路。

2、如权利要求1所述的太阳能实时自动跟踪装置，其特征是：在所述拾光头(2)内设置有隔板(1)，第一光敏元件(RL1)与第二光敏元件(RL2)对称地安装在隔板(1)的两侧，用于感应隔板(1)两侧光线的强度；光信号检测电路的输入端与上述两个光敏器件连接，以检测隔板(1)两侧的光线强度。

3、如权利要求1所述的太阳能实时自动跟踪装置，其特征是：在驱动电路的输入端连接有手动控制电路。

4、如权利要求1所述的太阳能实时自动跟踪装置，其特征是：在所述光信号检测电路中，在相互串联连接的第一光敏元件(RL1)与第二光敏元件(RL2)的线路上分别串联一个限流电阻，并在拾光头(2)两侧的线路中分别并联两个分压电阻(R3、R4)，所述分压电阻(R3、R4)在无光时为方向识别电路提供信号电压。

5、如权利要求1所述的太阳能实时自动跟踪装置，其特征是：在所述方向识别电路中，在第一运算放大器(ICA)的同相端与第二运算放大器(ICB)的反相端之间正向串联连接用于提供容差电压的二极管(D1)。

6、如权利要求1所述的太阳能实时自动跟踪装置，其特征是：在所述复位电路中，在第三运算放大器(ICC)的反相端连接第三光敏器件(RL3)，在第三运算放大器(ICC)的同相端连接提供参考电平的稳压管(D7)，在第三运算放大器(ICC)的输出端与晶闸管(SCR)的控制极连接，在晶闸管(SCR)的阳极串联连接常闭的干簧管(S3)。